[發(fā)明專利]一種桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法

有效

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• 申請日: 2017-07-26
• 公開（公告）號: CN107247855B
• 公開（公告）日: 2020-09-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李智勇;曾磊;陳少淼;林可;李洋;李仁發(fā)
• 申請（專利權(quán)）人: 湖南大學(xué)
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/27;G06N3/12;G06F111/04;G06F111/10;G06F119/14
• 代理公司: 長沙永星專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 43001
• 代理人: 鄧淑紅

本發(fā)明公開了一種桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法，該方法包括以下步驟：一、建立桁架的數(shù)學(xué)模型，設(shè)定目標(biāo)函數(shù)；二、計算桁架中各桿件的應(yīng)力和各節(jié)點(diǎn)的位移；三、定義邊界條件，各桿件應(yīng)力的大小小于最大許可應(yīng)力，各節(jié)點(diǎn)位移的大小小于最大許可位移；四、設(shè)定適應(yīng)度函數(shù)；五、設(shè)定桿件的長度、彈性模量、泊松比、密度、桿件最大許應(yīng)力、節(jié)點(diǎn)最大許可位移、外部載荷和截面積的取值范圍；六、選取懲罰因子；七、利用CRO算法進(jìn)行優(yōu)化，對CRO算法相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；八、利用簡單遺傳算法對桁架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化；九、對簡單遺傳算法與CRO算法輸出的結(jié)果進(jìn)行對比；十、重復(fù)步驟七到步驟九，選取最優(yōu)解。結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程簡單，通用性好，能夠提高尋優(yōu)效率和收斂精度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于結(jié)構(gòu)優(yōu)化領(lǐng)域，尤其涉及一種桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法。

背景技術(shù)

優(yōu)化設(shè)計方法是將優(yōu)化原理與計算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的一門綜合的應(yīng)用工程技術(shù)，并且在設(shè)計領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。隨著對各種復(fù)雜優(yōu)化問題的不斷深入研究，傳統(tǒng)的研究方法面臨的瓶頸就日益顯著。在解決十桁架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化問題上，桁架結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究的目的是為了在滿足各種規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和特定的要求下，期望使其十桁架結(jié)構(gòu)的性能、剛度、重量和工程造價都達(dá)到最優(yōu)。

傳統(tǒng)的優(yōu)化算法在求解十桿桁架高維數(shù)且約束較多的復(fù)雜問題時，在求解的精度上和收斂的速度都無法滿足問題的要求。其原因在于：其一，傳統(tǒng)優(yōu)化方法有一定的局限性，比如需要梯度信息、單峰問題、凸規(guī)劃等等；其二，傳統(tǒng)的內(nèi)罰函數(shù)的處理方法要求得到的所有點(diǎn)都是可行，即使由于某種原因優(yōu)化迭代也不能進(jìn)行到底，但是可以得到一個可行的、比原始方法設(shè)計改進(jìn)的方案。；其三，傳統(tǒng)內(nèi)罰函數(shù)要求需要一個可行的初始設(shè)計，處理等式約束困難，局部搜索的步長設(shè)計負(fù)責(zé)。對于桁架結(jié)構(gòu)優(yōu)化的約束處理，傳統(tǒng)約束方法尤為困難，傳統(tǒng)懲罰項在邊界筑起了一道障礙，但這是一道很“薄”的障礙。一旦步長太大跨過這道障礙，那么這樣的方法就可能失效。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種利用CRO算法進(jìn)行桁架結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法。

本發(fā)明提供的這種桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法，該方法包括以下步驟：

步驟一、建立桁架的數(shù)學(xué)模型，設(shè)定目標(biāo)函數(shù)；

步驟二、確定桁架中各桿件應(yīng)力和各節(jié)點(diǎn)位移的函數(shù)關(guān)系；

步驟三、定義邊界約束條件，各桿件應(yīng)力的最大許可應(yīng)力，各節(jié)點(diǎn)位移的最大許可位移；

步驟四、確定適應(yīng)度函數(shù)；

步驟五、設(shè)定桿件的長度、彈性模量、泊松比、密度、桿件最大許應(yīng)力、節(jié)點(diǎn)最大許可位移、外部載荷和截面積的取值范圍；

步驟六、選取動態(tài)懲罰因子；

步驟七、對CRO算法相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)定種群數(shù)量(PopSize)、步長(StepSize)、緩沖的初始量(buffer)、初始動能(InitialKE)、反應(yīng)類型的決定因子(MoleColl)、動能損失率(KELossRate)、分解常數(shù)(α)、合成常數(shù)(β)和進(jìn)化次數(shù)，基于以上CRO算法設(shè)置進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，計算可行解所占的比率P_i，再根據(jù)P_i確定動態(tài)懲罰因子λ(t)；

步驟八、利用簡單遺傳算法對桁架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化；

步驟九、對分析簡單遺傳算法與CRO算法輸出的結(jié)果進(jìn)行分析，并保留該迭代輪次最優(yōu)解；

步驟十、重復(fù)步驟七到步驟九，直到達(dá)到指定迭代計算次數(shù)，輸出最優(yōu)解作為最優(yōu)設(shè)計方案。

進(jìn)一步的，步驟一中的目標(biāo)函數(shù)設(shè)計為桁架結(jié)構(gòu)構(gòu)件密度ρ、長度l與桿件截面積x的函數(shù)。

在一個具體實施方式中，所述目標(biāo)函數(shù)為：式中W為桿件重量，x₁為水平桿件的截面積，x₂為豎直桿件的截面積，x₃為傾斜桿件的截面積。